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JP7802303B2 - Methods for Producing Cas3 Proteins - Google Patents
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JP7802303B2 - Methods for Producing Cas3 Proteins - Google Patents

Methods for Producing Cas3 Proteins

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Description

本発明は、Cas3タンパク質を製造する方法に関し、より具体的には、活性を維持したまま組換えCas3タンパク質を高純度かつ高収率で製造する方法に関する。 The present invention relates to a method for producing Cas3 protein, and more specifically, to a method for producing recombinant Cas3 protein with high purity and high yield while maintaining activity.

ゲノム編集技術は、動物や植物の細胞の中でゲノムDNA配列を特異的に切断し、内在の修復機構を利用することで、任意の配列に自由に書き換える技術である。バイオサイエンス研究だけでなく、農作物や畜産動物の品種改良、再生医療や遺伝子治療など、世界中でその利用が広がっている。Genome editing technology specifically cuts genomic DNA sequences within animal or plant cells and uses their inherent repair mechanisms to freely rewrite them into any sequence. Its use is expanding worldwide, not only in bioscience research but also in crop and livestock breeding, regenerative medicine, and gene therapy.

細菌や古細菌が持つCRISPR-Casシステムは、複数のタンパク質の複合体により標的配列を切断するクラス1と、一つのタンパク質により切断するクラス2に分かれる。これまでゲノム編集ツールとして開発されてきたCRISPR-Cas9やCRISPR-Cas12(Cpf1)、CRISPR-Cas13などは、すべてクラス2に分類されるが、最近、クラス1に属するタイプI CRISPRであるCRISPR-Cas3が真核細胞のゲノム編集ツールとして利用できることが見出された(特許文献1)。中でも、大腸菌K株由来のタイプI-E CRISPR-Cas3は、3塩基のPAM配列に加えて、27塩基を標的として認識して結合し、ヒト培養細胞で標的配列の上流に数百~数kbもの広範な欠失変異を高効率で導入できることが判明している。また、CRISPR-Cas9と比較して、ガイドRNAにおける標的認識配列が長く、非特異的な切断が生じにくいことから、安全性が高いと考えられている。CRISPR-Cas systems found in bacteria and archaea are divided into Class 1, which cleaves target sequences using a complex of multiple proteins, and Class 2, which cleaves using a single protein. Genome editing tools developed to date, such as CRISPR-Cas9, CRISPR-Cas12 (Cpf1), and CRISPR-Cas13, are all classified as Class 2. However, it has recently been discovered that CRISPR-Cas3, a Type I CRISPR belonging to Class 1, can be used as a genome editing tool in eukaryotic cells (Patent Document 1). In particular, Type I-E CRISPR-Cas3 derived from the Escherichia coli K strain recognizes and binds to a 27-base target in addition to a 3-base PAM sequence, and has been shown to be able to efficiently introduce extensive deletion mutations of several hundred to several kb upstream of the target sequence in human cultured cells. Furthermore, compared to CRISPR-Cas9, the target recognition sequence in the guide RNA is longer, making non-specific cleavage less likely to occur, and therefore it is considered to be safer.

CRISPR-Cas3は、一般に、発現プラスミドとして細胞に導入して発現させて利用されているが、細胞の種類によっては、その導入と発現が難しく、また、十分なゲノム編集の効率が得られない場合がある。このため、CRISPR-Cas3を、ガイドRNA(crRNA)およびタンパク質(Cas3タンパク質およびCascadeタンパク質)の形態で細胞に導入することが望まれている。 CRISPR-Cas3 is generally used by introducing it into cells as an expression plasmid and expressing it, but depending on the cell type, introduction and expression can be difficult, and sufficient genome editing efficiency may not be achieved. For this reason, it is desirable to introduce CRISPR-Cas3 into cells in the form of guide RNA (crRNA) and proteins (Cas3 protein and Cascade protein).

しかしながら、CRISPR-Cas3を構成するタンパク質群のうち、特に、Cas3タンパク質については、これまで実用に耐えうる活性体を十分な質と量で調製することが困難であった。例えば、既存のCas3タンパク質の精製法として、好熱菌Thermobifida fusca由来のCas3タンパク質(TfuCas3)や大腸菌K株由来のCas3タンパク質(EcoCss3)についての報告が存在するが(非特許文献1~3)、TfuCas3は、好熱菌由来であるため、多くの細胞の生育温度での利用に適していないという問題があった。一方、EcoCas3については、大腸菌由来であり動物細胞を含む多くの細胞の生育温度に近い温度域で活性を発揮することができることから産業応用が見込まれる幅広い生物のゲノム編集に適した性質を有しているが、従来の方法で製造しようとしても、活性を維持したまま高純度かつ高濃度で精製することが困難であるという問題があった(後述の比較例1を参照のこと)。However, among the proteins that make up CRISPR-Cas3, it has been particularly difficult to prepare Cas3 protein in a practically usable form with sufficient quality and quantity. For example, existing Cas3 protein purification methods have been reported for the thermophilic bacterium Thermobifida fusca-derived Cas3 protein (TfuCas3) and the Escherichia coli K strain-derived Cas3 protein (EcoCss3) (Non-Patent Documents 1-3). However, because TfuCas3 is derived from a thermophilic bacterium, it is not suitable for use at the growth temperatures of many cells. On the other hand, EcoCas3 is derived from Escherichia coli and is active in a temperature range close to the growth temperatures of many cells, including animal cells, making it suitable for genome editing in a wide range of organisms with potential for industrial application. However, even when attempting to produce it using conventional methods, it has been difficult to purify it to high purity and high concentration while maintaining its activity (see Comparative Example 1 below).

国際公開2018/225858号International Publication No. 2018/225858

Huo Y. et al., Nat. Struct. Mol. Biol. 2014 Sep;21(9):771-777Huo Y. et al. , Nat. Struct. Mol. Biol. 2014 Sep;21(9):771-777 Mulepati S. & Bailey S., J. Biol. Chem. 2013 Aug 2;288(31):22184-22192Mulepati S. & Bailey S. , J. Biol. Chem. 2013 Aug 2;288(31):22184-22192 Robert P. Hayes et al., Nature 2016 530:499-503Robert P. Hayes et al. , Nature 2016 530:499-503

本発明は、上記従来技術が有する問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、様々な生物でのゲノム編集に利用可能なCas3タンパク質の活性体を高純度かつ高収率で製造する方法を提供することにある。 The present invention was made in consideration of the problems inherent in the above-mentioned conventional technologies, and its purpose is to provide a method for producing an active form of Cas3 protein that can be used for genome editing in various organisms with high purity and high yield.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、大腸菌由来Cas3タンパク質は、熱安定性が低く、通常の大腸菌の培養温度で培養して組換えタンパク質を発現させた場合でさえ、変性して活性が減殺されてしまうことを見出した。 As a result of intensive research conducted by the inventors to solve the above-mentioned problems, they discovered that the Cas3 protein derived from E. coli has low thermal stability, and even when the recombinant protein is expressed by culturing it at the normal E. coli culture temperature, it is denatured and its activity is reduced.

この意外な知見に基づき、本発明者らは、比較的低温で培養可能な細胞として昆虫細胞を選択し、Cas3遺伝子を導入して様々な温度条件で培養を行ったところ、20~28℃で培養することにより、Cas3タンパク質が効率的に発現し、かつ、その活性が維持されていることを見出した。 Based on this unexpected finding, the inventors selected insect cells, which can be cultured at relatively low temperatures, introduced the Cas3 gene, and cultured them under various temperature conditions. They found that culturing at 20-28°C resulted in efficient expression of the Cas3 protein and maintained its activity.

また、本発明者らは、昆虫細胞に発現させた組換えCas3タンパク質の精製条件の検討を行ったところ、リン酸バッファー中で精製を行うことにより、組換えCas3タンパク質の活性体を高純度かつ高収量で回収することが可能であることを見出した。 Furthermore, the inventors investigated the purification conditions for recombinant Cas3 protein expressed in insect cells and found that by purifying in phosphate buffer, it is possible to recover active recombinant Cas3 protein in high purity and high yield.

さらに、本発明者らは、こうして回収した組換えCas3タンパク質が、ゲノム編集処理に必要な比較的短時間においては、動物細胞などの培養温度でも高い活性を発揮することを見出し、本発明を完成するに至った。 Furthermore, the inventors discovered that the recombinant Cas3 protein recovered in this manner exhibits high activity even at the culture temperatures of animal cells and the like during the relatively short period required for genome editing processing, leading to the completion of the present invention.

すなわち、本発明は、様々な細胞のゲノム編集に利用可能な組換えCas3タンパク質を、活性を維持したまま高純度かつ高濃度で製造する方法に関し、より詳しくは、以下の発明を提供するものである。 In other words, the present invention relates to a method for producing recombinant Cas3 protein that can be used for genome editing in various cells at high purity and high concentration while maintaining its activity, and more specifically, provides the following inventions.

(1)Cas3タンパク質の製造方法であって、
(a)Cas3遺伝子を導入した昆虫細胞を20~28℃で培養し、当該昆虫細胞内でCas3タンパク質を発現させる工程、および
(b)発現させたCas3タンパク質を回収する工程、
を含む方法。
(1) A method for producing a Cas3 protein,
(a) culturing insect cells into which a Cas3 gene has been introduced at 20 to 28°C to express the Cas3 protein in the insect cells; and (b) recovering the expressed Cas3 protein.
A method comprising:

(2)Cas3タンパク質が大腸菌由来である、(1)に記載の方法。(2) The method described in (1), wherein the Cas3 protein is derived from Escherichia coli.

(3)昆虫細胞がSf9細胞である、(1)または(2)に記載の方法。 (3) The method described in (1) or (2), wherein the insect cells are Sf9 cells.

(4)発現させたCas3タンパク質の回収が、Cas3タンパク質の精製を含む、(1)から(3)のいずれかに記載の方法。 (4) A method described in any of (1) to (3), wherein the recovery of the expressed Cas3 protein includes purification of the Cas3 protein.

(5)Cas3タンパク質にタグが付加されており、Cas3タンパク質の精製が当該タグに対するアフィニティー精製を含む、(4)に記載の方法。(5) The method described in (4), in which a tag is attached to the Cas3 protein and purification of the Cas3 protein includes affinity purification for the tag.

(6)タグがHNタグを含む、(5)に記載の方法。(6) The method described in (5), wherein the tag includes an HN tag.

(7)Cas3タンパク質の精製が、ゲル濾過クロマトグラフィーによる精製を含む、(4)から(6)のいずれかに記載の方法。 (7) A method described in any of (4) to (6), wherein the purification of the Cas3 protein includes purification by gel filtration chromatography.

(8)精製に使用するバッファーがリン酸バッファーである、(4)から(7)のいずれかに記載の方法。 (8) A method described in any of (4) to (7), wherein the buffer used for purification is a phosphate buffer.

本発明によれば、組換えCas3タンパク質の活性体を高純度かつ高収率で製造することが可能となる。本発明の方法は、様々な組換えCas3タンパク質の製造に利用可能であるが、特に、熱安定性の低いCas3タンパク質への適用において有用である。 The present invention makes it possible to produce active recombinant Cas3 proteins with high purity and high yield. The method of the present invention can be used to produce various recombinant Cas3 proteins, but is particularly useful when applied to Cas3 proteins with low thermostability.

また、本発明によれば、ゲノム編集を行う前に、CRISPR-Cas3システムを使用可能な状態で準備することが可能である。さらに、Cas3を遺伝子として導入して発現させることが難しい細胞や、Cas3を組換えタンパク質として発現させた場合に十分なゲノム編集の効率が得られない細胞においても、効率的にゲノム編集を行うことが可能となる。このため、簡便かつ汎用的にCRISPR-Cas3システムを利用することが可能となる。 Furthermore, according to the present invention, it is possible to prepare the CRISPR-Cas3 system in a usable state before genome editing. Furthermore, it is possible to perform efficient genome editing even in cells in which it is difficult to introduce and express Cas3 as a gene, or in cells in which sufficient genome editing efficiency cannot be achieved when Cas3 is expressed as a recombinant protein. This makes it possible to use the CRISPR-Cas3 system simply and universally.

大腸菌で発現させた組換えEcoCas3タンパク質のゲル濾過クロマトグラフィーによる精製を示すグラフである。1 is a graph showing the purification of recombinant EcoCas3 protein expressed in E. coli by gel filtration chromatography. 各温度で培養した昆虫細胞における組換えEcoCas3タンパク質の発現を示す電気泳動写真である。Electrophoresis photographs showing the expression of recombinant EcoCas3 protein in insect cells cultured at various temperatures. 昆虫細胞で発現させた組換えEcoCas3タンパク質をリン酸バッファーを用いたゲル濾過クロマトグラフィーにより精製した結果を示すグラフ(上)およびSDS-PAGEの写真(下)を示す。SDS-PAGEにおける各レーンは、以下の通りである。a.上清、b.フロースルー、c.TEV消化、d.洗浄、e.バックトラップのフロースルー、2-20.SEC画分、f.濃縮した13-16画分。The graph (top) and SDS-PAGE photograph (bottom) show the results of purification of recombinant EcoCas3 protein expressed in insect cells by gel filtration chromatography using phosphate buffer. The lanes in the SDS-PAGE are as follows: a. supernatant, b. flow-through, c. TEV digestion, d. wash, e. backtrap flow-through, 2-20 SEC fractions, and f. concentrated fractions 13-16. 昆虫細胞で発現させた組換えEcoCas3タンパク質をHepesバッファーを用いたゲル濾過クロマトグラフィーにより精製した結果を示すグラフ(上)およびSDS-PAGEの写真(下)である。1 shows a graph (top) and an SDS-PAGE photograph (bottom) showing the results of purifying recombinant EcoCas3 protein expressed in insect cells by gel filtration chromatography using Hepes buffer. 組換えEcoCas3タンパク質の熱変性による変曲点温度を示すグラフである。変曲点温度は、TychoNT6により測定した。1 is a graph showing the inflection point temperature due to thermal denaturation of recombinant EcoCas3 protein. The inflection point temperature was measured using TychoNT6. EcoCas3、Cas9、Cas12、およびTfuCas3の37℃での安定性を示すグラフである。これらタンパク質の安定性は、Sypro_orangeがタンパク質の変性に伴い、溶媒面へ露出する疎水性領域に結合することにより生じる蛍光強度の変化により測定した。This is a graph showing the stability of EcoCas3, Cas9, Cas12, and TfuCas3 at 37° C. The stability of these proteins was measured by the change in fluorescence intensity that occurs when Sypro_orange binds to the hydrophobic region exposed to the solvent surface as the protein unfolds. Multi-NLS Ecoカスケードの製造用プラスミドを示す図である。FIG. 1 shows the plasmid for constructing the Multi-NLS Eco cascade. 精製したCas3タンパク質、カスケードタンパク質、およびcrRNAの複合体を用いて、in vitroにおいてゲノム編集活性を測定した結果を示すキャピラリー電気泳動の写真である。赤矢印は、検出されたDNAの分解を示す。左は、EMX1標的カスケードを用いた結果を示し、右は、Tyr標的カスケードを用いた結果を示す。This is a capillary electrophoresis photograph showing the results of measuring genome editing activity in vitro using a complex of purified Cas3 protein, Cascade protein, and crRNA. The red arrow indicates detected DNA degradation. The left side shows the results using the EMX1-targeted cascade, and the right side shows the results using the Tyr-targeted cascade. 精製したCas3タンパク質、カスケードタンパク質、およびcrRNAの複合体を用いて、ヒト培養細胞においてゲノム編集活性を測定した結果を示す図である。上は、FACS解析で得られた代表的な図を示し、下は、GFP陰性細胞数から算出したGFPノックアウト効率の解析結果を示すグラフ(n=3)である。[0023] Figure 1 shows the results of measuring genome editing activity in cultured human cells using a complex of purified Cas3 protein, Cascade protein, and crRNA. The top graph shows a representative image obtained by FACS analysis, and the bottom graph shows the analysis results of GFP knockout efficiency calculated from the number of GFP-negative cells (n = 3).

本発明は、Cas3タンパク質の製造方法を提供する。 The present invention provides a method for producing a Cas3 protein.

本発明において「Cas3タンパク質」は、CRISPR-Cas3システムを構成するタンパク質であり、ヌクレアーゼ活性およびヘリカーゼ活性を有する。Cas3タンパク質は、CRISPR-Cas3システムを構成するカスケードおよびcrRNAと共同することにより、標的DNAを切断することができる。 In the present invention, the "Cas3 protein" is a protein that constitutes the CRISPR-Cas3 system and has nuclease activity and helicase activity. The Cas3 protein can cleave target DNA by cooperating with the cascade and crRNA that constitute the CRISPR-Cas3 system.

タイプIのCRISPR-Cas3システムの中でも一般的であるタイプI-EのCRISPR-Cas3システムは、crRNAがCas3およびカスケード(Cse1(Cas8)、Cse2(Cas11)、Cas5、Cas6、およびCas7)と協同することにより、DNAを切断する。 The type I-E CRISPR-Cas3 system, which is the most common type I CRISPR-Cas3 system, cuts DNA by crRNA working in cooperation with Cas3 and a cascade (Cse1 (Cas8), Cse2 (Cas11), Cas5, Cas6, and Cas7).

タイプI-Aのシステムでは、カスケードとしてCas8a1、Csa5(Cas11)、Cas5、Cas6、およびCas7を、タイプI-Bでは、カスケードとしてCas8b1、Cas5、Cas6、およびCas7を、タイプI-Cでは、カスケードとしてCas8c、Cas5、およびCas7を、タイプI-Dでは、カスケードとしてCas10d、Csc1(Cas5)、Cas6、およびCsc2(Cas7)を、タイプI-Fでは、カスケードとしてCsy1(Cas8f)、Csy2(Cas5)、Cas6、およびCsy3(Cas7)を、タイプI-Gのシステムでは、カスケードとしてCst1(Cas8a1)、Cas5、Cas6、およびCst2(Cas7)を、それぞれ構成要素として含む。 In Type I-A systems, the cascades are Cas8a1, Csa5 (Cas11), Cas5, Cas6, and Cas7; in Type I-B, the cascades are Cas8b1, Cas5, Cas6, and Cas7; in Type I-C, the cascades are Cas8c, Cas5, and Cas7; and in Type I-D, the cascade is Cas10d. The types I-F contain Csy1 (Cas8f), Csy2 (Cas5), Cas6, and Csy3 (Cas7) as cascade components, and the types I-G systems contain Cst1 (Cas8a1), Cas5, Cas6, and Cst2 (Cas7) as cascade components.

本発明のCas3タンパク質は、その由来は問わないが、動物細胞を含む幅広い細胞でのゲノム編集に適しているという観点から、大腸菌由来のCas3タンパク質が好ましい。典型的な大腸菌由来のCas3タンパク質のアミノ酸配列を配列番号:2に、当該タンパク質をコードするDNAの塩基配列を配列番号:1に示す。本発明のCas3タンパク質には、自然界において生じた、または、人為的に改変された変異体が含まれる。The Cas3 protein of the present invention may be of any origin, but a Cas3 protein derived from Escherichia coli is preferred because it is suitable for genome editing in a wide range of cells, including animal cells. The amino acid sequence of a typical Cas3 protein derived from Escherichia coli is shown in SEQ ID NO: 2, and the nucleotide sequence of the DNA encoding the protein is shown in SEQ ID NO: 1. The Cas3 protein of the present invention includes naturally occurring or artificially modified mutants.

本発明のCas3タンパク質は、配列番号:1に記載の大腸菌由来のCas3タンパク質のアミノ酸配列と高い同一性を有するアミノ酸配列からなるタンパク質でありうる。高い同一性とは、例えば、80%以上、好ましくは85%以上、より好ましくは90%以上(例えば、91%以上、92%以上、93%以上、94%以上)、さらに好ましくは95%以上(例えば、96%以上、97%以上、98%以上、99%以上)の配列の同一性である。配列の同一性は、BLAST(Basic Local Alignment Search Tool at the National Center for Biological Information(米国国立生物学情報センターの基本ローカルアラインメント検索ツール))等を利用して(例えば、デフォルト、すなわち初期設定のパラメータを用いて)決定することができる。また、本発明のCas3タンパク質は、配列番号:1に記載の大腸菌由来のCas3タンパク質のアミノ酸配列において1又は複数のアミノ酸が置換、欠失、付加、及び/又は挿入されたアミノ酸配列からなるタンパク質でありうる。ここで「複数」とは、通常、50アミノ酸以内、好ましくは30アミノ酸以内、より好ましくは20アミノ酸以内、特に好ましくは10アミノ酸以内(例えば、5アミノ酸以内、3アミノ酸以内、2アミノ酸以内、1アミノ酸)である。The Cas3 protein of the present invention may be a protein consisting of an amino acid sequence that is highly identical to the amino acid sequence of the Cas3 protein derived from Escherichia coli set forth in SEQ ID NO: 1. High identity refers to, for example, sequence identity of 80% or more, preferably 85% or more, more preferably 90% or more (e.g., 91% or more, 92% or more, 93% or more, 94% or more), and even more preferably 95% or more (e.g., 96% or more, 97% or more, 98% or more, 99% or more). Sequence identity can be determined using tools such as BLAST (Basic Local Alignment Search Tool at the National Center for Biological Information) (e.g., using default, i.e., initial setting, parameters). Furthermore, the Cas3 protein of the present invention may be a protein consisting of an amino acid sequence in which one or more amino acids have been substituted, deleted, added, and/or inserted in the amino acid sequence of the Cas3 protein derived from Escherichia coli set forth in SEQ ID NO: 1. Here, "multiple" generally means 50 amino acids or less, preferably 30 amino acids or less, more preferably 20 amino acids or less, and particularly preferably 10 amino acids or less (for example, 5 amino acids or less, 3 amino acids or less, 2 amino acids or less, or 1 amino acid).

Cas3タンパク質には、必要に応じて、さらに機能的分子を付加してもよい。機能的分子としては、例えば、真核細胞の核内への移行を促進するための核移行シグナル、精製を容易にするためのタグ、検出を容易にするためのレポータータンパク質などが挙げられるが、これらに制限されない。これら機能的分子は、例えば、Cas3タンパク質のN末端側および/またはC末端側に付加することができる。 If necessary, functional molecules may be added to the Cas3 protein. Examples of functional molecules include, but are not limited to, nuclear localization signals that promote translocation into the nucleus of eukaryotic cells, tags that facilitate purification, and reporter proteins that facilitate detection. These functional molecules can be added, for example, to the N-terminus and/or C-terminus of the Cas3 protein.

核移行シグナルとしては、例えば、PKKKRKV(配列番号:3)やKRTADGSEFESPKKKRKV(配列番号:4)などが挙げられる。タグとしては、例えば、HNタグ、Hisタグ、FLAGタグ、グルタチオン-S-トランスフェラーゼ(GST)タグなどが挙げられる。また、レポータータンパク質としては、例えば、緑色蛍光蛋白質(GFP)などの蛍光タンパク質、ルシフェラーゼなどの化学発光タンパク質などが挙げられる。 Examples of nuclear localization signals include PKKKRKV (SEQ ID NO: 3) and KRTADGSEFESPKKRKV (SEQ ID NO: 4). Examples of tags include HN tags, His tags, FLAG tags, and glutathione-S-transferase (GST) tags. Examples of reporter proteins include fluorescent proteins such as green fluorescent protein (GFP) and chemiluminescent proteins such as luciferase.

本発明の製造方法においては、Cas3遺伝子を導入した昆虫細胞を20~28℃で培養し、当該昆虫細胞内でCas3タンパク質を発現させる(工程(a))。In the production method of the present invention, insect cells into which the Cas3 gene has been introduced are cultured at 20 to 28°C, and the Cas3 protein is expressed in the insect cells (step (a)).

昆虫細胞において組換えCas3タンパク質を発現させる方法としては、例えば、公知のバキュロウイルス発現系を利用することができる。バキュロウイルス発現系を利用する方法の一例においては、まず、Cas3遺伝子をpFastBac1などのBac-to-Bac用ベクターにクローニングし、これをバキュロウイルスDNAを持つ大腸菌に導入して、Cas3遺伝子が導入されたバキュロウイルスDNAを調製する。なお、このように組換えバキュロウイルスDNAを大腸菌において調製する方法の他、昆虫細胞において調製する方法を利用することも可能である。昆虫細胞を利用する場合、Cas3遺伝子を含むベクターとバキュロウイルスDNAを昆虫細胞に導入して、両者の間で相同組換えを生じさせればよい。次いで、調製した組換えバキュロウイルスDNAを昆虫細胞にトランスフェクションし、Cas3遺伝子を含む組換えバキュロウイルスを調製する。次いで、調製した組換えバキュロウイルスを昆虫細胞へ継代感染させて、高力価バキュロウイルスを獲得し、当該ウイルスを昆虫細胞に感染させて、組換えCas3タンパク質を発現させる。昆虫細胞としては、Sf9細胞が好適であるが、これに制限されない。 The well-known baculovirus expression system can be used, for example, to express recombinant Cas3 protein in insect cells. In one example of a method using the baculovirus expression system, the Cas3 gene is first cloned into a Bac-to-Bac vector such as pFastBac1, which is then introduced into E. coli containing baculovirus DNA to prepare baculovirus DNA incorporating the Cas3 gene. In addition to this method of preparing recombinant baculovirus DNA in E. coli, it is also possible to prepare it in insect cells. When using insect cells, a vector containing the Cas3 gene and baculovirus DNA are introduced into the insect cells, allowing homologous recombination to occur between the two. The prepared recombinant baculovirus DNA is then transfected into insect cells to prepare a recombinant baculovirus containing the Cas3 gene. The prepared recombinant baculovirus is then serially infected into insect cells to obtain a high-titer baculovirus, which is then used to infect insect cells to express the recombinant Cas3 protein. Suitable insect cells include, but are not limited to, Sf9 cells.

組換えCas3タンパク質を発現させるための昆虫細胞の培養は、20~28℃が好ましい。20℃未満では、組換えCas3タンパク質の発現効率が低下する傾向にあり、一方、28℃を超えると、培養過程において発現した組換えCas3タンパク質が変性する傾向にある。変性をさらに抑制する観点からは、20~24℃がより好ましく、20~22℃がさらに好ましく、20℃が特に好ましい。培養時間は、組換えCas3タンパク質の発現に十分な時間である限り特に制限はないが、通常、24時間以上であり、好ましくは、60~72時間である。 Insect cells are preferably cultured at 20-28°C to express recombinant Cas3 protein. Below 20°C, the expression efficiency of recombinant Cas3 protein tends to decrease, while above 28°C, the expressed recombinant Cas3 protein tends to denature during the culture process. From the perspective of further suppressing denaturation, 20-24°C is more preferable, 20-22°C is even more preferable, and 20°C is particularly preferable. There are no particular restrictions on the culture time as long as it is sufficient for the expression of the recombinant Cas3 protein, but it is usually 24 hours or more, preferably 60-72 hours.

本発明の製造方法においては、次いで、発現させたCas3タンパク質を回収する(工程(b))。 In the manufacturing method of the present invention, the expressed Cas3 protein is then recovered (step (b)).

発現させたCas3タンパク質の回収においては、種々のタンパク質の分離・精製方法を利用することができる。細胞からの組換えCas3タンパク質の分離においては、細胞の破砕処理および遠心処理を利用することができる。例えば、細胞を超音波により破砕し、その後、100,000gで遠心し、その上清を回収することにより、組換えCas3タンパク質を含む可溶性画分を得ることができる。Various protein separation and purification methods can be used to recover the expressed Cas3 protein. Cell disruption and centrifugation can be used to isolate recombinant Cas3 protein from cells. For example, cells can be disrupted by sonication, then centrifuged at 100,000 g, and the supernatant can be collected to obtain a soluble fraction containing recombinant Cas3 protein.

Cas3タンパク質にタグが付加されている場合、組換えCas3タンパク質の精製においては、当該タグに対するアフィニティー精製を利用することができる。例えば、タグが、HNタグやHisタグの場合には、ニッケルカラムを、FLAGタグの場合には、FLAGタグに対する抗体を結合させたビーズを、グルタチオン-S-トランスフェラーゼ(GST)タグの場合には、グルタチオンセファロースを、それぞれ利用してアフィニティー精製を行うことができる。Cas3タンパク質を電気的に中和し、凝集を抑制する観点から、Cas3タンパク質に付加するタグとしては、HNタグが好ましい。 When a tag is attached to the Cas3 protein, affinity purification of the tag can be used to purify the recombinant Cas3 protein. For example, if the tag is an HN tag or His tag, affinity purification can be performed using a nickel column; if the tag is a FLAG tag, affinity purification can be performed using beads bound to an antibody against the FLAG tag; and if the tag is a glutathione-S-transferase (GST) tag, affinity purification can be performed using glutathione Sepharose. From the perspective of electrically neutralizing the Cas3 protein and suppressing aggregation, an HN tag is preferred as the tag to be attached to the Cas3 protein.

また、本発明における組換えCas3タンパク質の精製は、ゲル濾過クロマトグラフィーによる精製を含むことが好ましい。Cas3タンパク質は、分子量100kDa程度の球状タンパク質であることから、当該分子量の球状タンパク質に適した分画範囲を有するカラムを選択することが好ましい。このようなカラムとしては、例えば、Superdex 200 Increase(Cytiva社)などの市販品を利用することができる。 In addition, the purification of the recombinant Cas3 protein in the present invention preferably includes purification by gel filtration chromatography. Because the Cas3 protein is a globular protein with a molecular weight of approximately 100 kDa, it is preferable to select a column with a fractionation range appropriate for globular proteins of that molecular weight. Commercially available columns such as Superdex 200 Increase (Cytiva) can be used as such columns.

精製に用いるバッファーは、Cas3タンパク質の変性による凝集を抑制する観点から、リン酸バッファーが好ましい。 The buffer used for purification is preferably phosphate buffer, as it prevents aggregation due to denaturation of the Cas3 protein.

こうして調製された組換えCas3タンパク質は、優れた活性を有しており、ゲノム編集に必要な数時間以内の比較的短時間であれば、例え、37℃の温度条件下においても、変性せずに、その活性を発揮することができる。実際、本実施例においても、37℃にて優れたDNA切断活性と高いゲノム編集効率が認められた。従って、本発明の方法で得られた組換えCas3タンパク質は、カスケードタンパク質およびcrRNAと組み合わせることにより、幅広い細胞において効率的にゲノム編集を行うことが可能である。The recombinant Cas3 protein prepared in this manner possesses excellent activity and can exert its activity without denaturation, even at temperatures of 37°C, for the relatively short period of time required for genome editing, within the several hours required for genome editing. Indeed, in this example, excellent DNA cleavage activity and high genome editing efficiency were observed at 37°C. Therefore, the recombinant Cas3 protein obtained by the method of the present invention, when combined with a Cascade protein and crRNA, can efficiently perform genome editing in a wide range of cells.

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 The present invention will be explained in more detail below based on examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples.

[比較例1] 大腸菌を利用したEcoCas3タンパク質の調製
従来のEcoCas3の製造方法(Mulepati S. & Bailey S., J Biol Chem. 2013 Aug 2;288(31):22184-22192)には、(i)EcoCas3をコードするプラスミドを導入した大腸菌を20℃という低温で培養を行う必要がある点、(ii)EcoCas3の溶解度を保つために、EcoCas3にmaltose-binding protein(MBP)やsmall ubiquitin-like modifier(SUMO)を融合させる必要がある点、(iii)シャペロン分子であるHtpGタンパク質を共発現させることも必要になる点、(iv)収量が1L培養あたり最大でも1mgである点、(v)電気泳動パターンとしてEcoCas3以外のタンパク質のバンドが確認されることから高純度なEcoCas3を製造することが困難である点、など多くの問題があった。実際、上記文献に従って、大腸菌を利用してEcoCas3タンパク質の調製を行ったところ、低純度かつ低収量であり(図1)、活性も極めて低かった。
Comparative Example 1: Preparation of EcoCas3 protein using Escherichia coli Conventional methods for producing EcoCas3 (Mulepati S. & Bailey S., J. Biol. Chem. 2013 Aug. 2; 288(31): 22184-22192) have the following drawbacks: (i) Escherichia coli containing an EcoCas3-encoding plasmid must be cultured at a low temperature of 20°C; (ii) EcoCas3 must contain maltose-binding protein (MBP) or small ubiquitin-like enzymes to maintain its solubility. There were many problems with this method, such as (i) the need to fuse a SUMO modifier to the EcoCas3 protein, (ii) the need to co-express the HtpG protein, a chaperone molecule, (iii) the yield was a maximum of 1 mg per 1 L of culture, and (v) the difficulty in producing highly pure EcoCas3 because bands of proteins other than EcoCas3 were observed in the electrophoresis pattern. In fact, when EcoCas3 protein was prepared using E. coli according to the above literature, it was found to be of low purity and low yield (Figure 1), and its activity was also extremely low.

[実施例1]昆虫細胞Sf9を利用したEcoCas3タンパク質の調製
原核生物由来のタンパク質を、より高次の真核生物において、組換えタンパク質として発現させた場合、原核生物内では起こり得ない翻訳後修飾が起こる可能性がある。このため、EcoCas3タンパク質の製造を真核生物で行うことは行われてこなかったが、本発明者は、比較例1に記載の課題に鑑み、敢えて昆虫細胞Sf9を用いたEcoCas3タンパク質の調製を試みた。
[Example 1] Preparation of EcoCas3 protein using insect cells Sf9 When a protein derived from a prokaryote is expressed as a recombinant protein in a higher eukaryote, post-translational modifications that do not occur in prokaryotes may occur. For this reason, production of EcoCas3 protein in eukaryotes has not been attempted. However, in view of the problems described in Comparative Example 1, the present inventors attempted to prepare EcoCas3 protein using insect cells Sf9.

(1)組換えEcoCas3タンパク質の発現用プラスミドの構築
EcoCas3のN末端に8HNタグ(GSリンカーを挟んで、HisタグとHNタグを融合したタグ/配列番号:5)およびNLS(配列番号:3)を融合させ、さらにC末端にもNLS(配列番号:3)を融合させた遺伝子を合成した(配列番号:6、7)。HNタグ(ヒスチジンとアスパラギンのリピート配列)を使用したのは、Hisタグは正電荷の偏りが強く、目的タンパク質を凝集させる可能性があることから、当該正電荷を中和するためである。また、発現確認のために、レポーターとしてのEGFPを8HNタグの3’末端に融合させた遺伝子も作成した(配列番号:8、9)。
(1) Construction of a plasmid for expression of recombinant EcoCas3 protein. An 8HN tag (a tag formed by fusing a His tag and an HN tag via a GS linker / SEQ ID NO: 5) and NLS (SEQ ID NO: 3) were fused to the N-terminus of EcoCas3, and an NLS (SEQ ID NO: 3) was also fused to the C-terminus to synthesize a gene (SEQ ID NOs: 6, 7). The HN tag (a repeat sequence of histidine and asparagine) was used to neutralize the positive charge of the His tag, which has the potential to aggregate the target protein. To confirm expression, a gene was also created in which EGFP was fused to the 3' end of the 8HN tag as a reporter (SEQ ID NOs: 8, 9).

上記の融合遺伝子をpFastbac-1プラスミド(ThermoFishers社製)にクローニングした。得られたEcoCas3/pFastbac-1プラスミドは、DH10bacへ形質転換し、相同組換えによりDH10bac内のバキュロウイルスゲノムへ組み込んだ後、EcoCas3遺伝子を含むバキュロウイルスゲノムを抽出した。 The above fusion gene was cloned into the pFastbac-1 plasmid (ThermoFishers). The resulting EcoCas3/pFastbac-1 plasmid was transformed into DH10bac and integrated into the baculovirus genome within DH10bac by homologous recombination. The baculovirus genome containing the EcoCas3 gene was then extracted.

(2)組換えEcoCas3タンパク質の発現
EcoCas3遺伝子またはEGFP融合EcoCas3遺伝子を含むバキュロウイルスゲノムをSf9細胞にトランスフェクションし、Sf9細胞内で、EcoCas3遺伝子を含むバキュロウイルスを作成した。このバキュロウイルスをSf9細胞へ継代感染させ、EcoCas3発現用の高力価ウイルスを獲得した。この高力価ウイルスをSf9細胞に感染させ、EcoCas3を組換えタンパク質として発現させた。
(2) Expression of Recombinant EcoCas3 Protein Baculovirus genomes containing the EcoCas3 gene or the EGFP-fused EcoCas3 gene were transfected into Sf9 cells, and baculoviruses containing the EcoCas3 gene were produced in the Sf9 cells. Sf9 cells were then passaged with these baculoviruses to obtain high-titer viruses for EcoCas3 expression. Sf9 cells were infected with these high-titer viruses, and EcoCas3 was expressed as a recombinant protein.

組換えEcoCas3タンパク質の発現の検討においては、EGFP融合EcoCas3遺伝子を含むバキュロウイルスを使用し、バキュロウイルスのSf9細胞への感染は28℃で24時間で行い、その後、Sf9細胞を各培養温度(12℃から28℃)で60時間培養し、組換えEcoCas3タンパク質を発現させた。細胞を超音波破砕し、100,000gで遠心して回収した上清(可溶性画分)を電気泳動し、蛍光検出を行った。To investigate the expression of recombinant EcoCas3 protein, a baculovirus containing the EGFP-fused EcoCas3 gene was used. Sf9 cells were infected with the baculovirus at 28°C for 24 hours, and then the Sf9 cells were cultured at various temperatures (12°C to 28°C) for 60 hours to express the recombinant EcoCas3 protein. The cells were sonicated and centrifuged at 100,000g. The collected supernatant (soluble fraction) was subjected to electrophoresis and fluorescence detection.

その結果、16℃以上の温度条件において、可溶性画分への組換えEcoCas3タンパク質の発現を確認したが、特に20℃以上の温度条件で可溶性画分への発現効率が高かった(図2)。以下の実験では、20℃の温度条件でSf9細胞に発現させた組換えEcoCas3タンパク質を用いた。As a result, we confirmed the expression of recombinant EcoCas3 protein in the soluble fraction at temperatures above 16°C, with the expression efficiency in the soluble fraction being particularly high at temperatures above 20°C (Figure 2). In the following experiments, we used recombinant EcoCas3 protein expressed in Sf9 cells at 20°C.

(3)組換えEcoCas3タンパク質の調製
Hisタグ様の8HNタグが付加されている組換えEcoCas3タンパク質を、ニッケルカラムにてアフィニティー精製した後、ゲル濾過クロマトグラフィーにて最終精製を行った。
(3) Preparation of Recombinant EcoCas3 Protein Recombinant EcoCas3 protein carrying a His-tag-like 8HN tag was affinity purified using a nickel column, and then final purification was performed using gel filtration chromatography.

組換えEcoCas3タンパク質が発現した昆虫細胞を超音波にて破砕し、100,000gで遠心して回収した上清(可溶性画分)を、ニッケルアガロース樹脂(キアゲン社)と混合することで組換えEcoCas3タンパク質を樹脂に結合後、洗浄バッファー(20mM HEPESまたは20mM KHPO,350mM NaCl,40mM イミダゾール,0.5mM DTT,pH7.0)を用いた。次に、溶出バッファー(20mM Hepesまたは20mM KHPO,350mM NaCl,200mM イミダゾール,0.5mM DTT,pH7.0)にて組換えEcoCas3タンパク質を樹脂より溶出させた。 Insect cells expressing the recombinant EcoCas3 protein were sonicated, centrifuged at 100,000 g, and the collected supernatant (soluble fraction) was mixed with nickel agarose resin (Qiagen) to bind the recombinant EcoCas3 protein to the resin . The recombinant EcoCas3 protein was then eluted from the resin using a wash buffer (20 mM HEPES or 20 mM KH2PO4 , 350 mM NaCl, 40 mM imidazole, 0.5 mM DTT, pH 7.0) and an elution buffer (20 mM Hepes or 20 mM KH2PO4 , 350 mM NaCl, 200 mM imidazole, 0.5 mM DTT, pH 7.0 ).

溶出分画に対してTEV消化処理を行うことにより、組換えEcoCas3タンパク質のN末端に付加している8HNタグを切り離した。最後に、ゲル濾過クロマトグラフィーにて組換えEcoCas3タンパク質の最終精製を行った。精製には、Superdex200increase(Cytiva社)カラムを用い、移動相バッファーには、「20mM HEPESまたは20mM KHPO,200mM NaCl,1.0mM DTT,pH7.0」を用いた。 The eluted fraction was digested with TEV to cleave the 8HN tag attached to the N-terminus of the recombinant EcoCas3 protein. Finally, the recombinant EcoCas3 protein was purified by gel filtration chromatography. A Superdex 200 increase (Cytiva) column was used for purification, and the mobile phase buffer used was "20 mM HEPES or 20 mM KH2PO4 , 200 mM NaCl, 1.0 mM DTT, pH 7.0."

その結果、HEPESバッファーを用いて精製を行った場合には、ゲル濾過クロマトグラフィーにおいて凝集したと考えられるEcoCas3を含む排除分画(void fraction)が多く確認された(図3)。一方、リン酸バッファーを用いて精製を行った場合には、変曲点温度Tiがおよそ2℃程改善し、最終的に、1L培養あたり最大で2mgの精製EcoCas3タンパク質を得ることに成功した(図4)。リン酸バッファーを用いることで、排除分画に分離されるEcoCas3が抑制されたと考えられる。SDS-PAGEで純度を確認したところ、目的のEcoCas3タンパク質以外のタンパク質のバンドは検出されなかったことから、大腸菌発現系を利用した従来のEcoCas3精製タンパク質よりも、顕著に高純度で精製されていることが判明した。As a result, when purification was performed using HEPES buffer, a large amount of void fraction containing EcoCas3, which is thought to have aggregated during gel filtration chromatography, was confirmed (Figure 3). On the other hand, when purification was performed using phosphate buffer, the inflection point temperature (Ti) improved by approximately 2°C, and ultimately, up to 2 mg of purified EcoCas3 protein was successfully obtained per 1 L of culture (Figure 4). It is believed that the use of phosphate buffer suppressed the amount of EcoCas3 separated into the void fraction. When purity was confirmed by SDS-PAGE, no protein bands other than the target EcoCas3 protein were detected, demonstrating that the purified EcoCas3 protein was significantly more pure than conventional EcoCas3 purified protein using an E. coli expression system.

[実施例2]組換えEcoCas3タンパク質の熱安定性の測定
TychoNT6(NanoTempar社)を用いた熱変性プロファイルの変曲点温度Tiを測定することにより、組換えEcoCas3タンパク質の熱安定性の評価を行った。熱によるタンパク質分子のアンフォールディングに伴う分子内トリプトファン残基由来の自家蛍光のピークシフトを、330nmと350nmの二波長で検出し、その蛍光強度の比を温度に対してプロットすることで熱変性プロファイルの変曲点温度Tiを決定した。
[Example 2] Measurement of the thermal stability of recombinant EcoCas3 protein The thermal stability of recombinant EcoCas3 protein was evaluated by measuring the inflection point temperature (Ti) of the thermal denaturation profile using a TychoNT6 (NanoTempar). The peak shift of autofluorescence derived from intramolecular tryptophan residues accompanying thermal unfolding of the protein molecule was detected at two wavelengths, 330 nm and 350 nm, and the inflection point temperature (Ti) of the thermal denaturation profile was determined by plotting the ratio of the fluorescence intensities against temperature.

また、SYPRO Orange蛍光試薬を用いた組換えEcoCas3タンパク質の熱安定性の測定も行った。SYPRO Orangeは、タンパク質の変性した疎水領域に結合することにより蛍光を呈する。熱変性に伴う構造変化によるタンパク質の疎水性領域の溶媒への露出に依存したSYPRO Orangeの結合および蛍光強度の増加を、リアルタイムPCR装置によって検出した。蛍光検出は、励起波長473nm、蛍光波長520nmにて行った。We also measured the thermal stability of the recombinant EcoCas3 protein using the SYPRO Orange fluorescent reagent. SYPRO Orange emits fluorescence by binding to the denatured hydrophobic regions of the protein. The increase in SYPRO Orange binding and fluorescence intensity, which depend on the exposure of the hydrophobic regions of the protein to solvent due to structural changes associated with thermal denaturation, were detected using a real-time PCR device. Fluorescence detection was performed at an excitation wavelength of 473 nm and an emission wavelength of 520 nm.

以上の結果、TychoNT6を用いた測定において、組換えEcoCas3タンパク質の変曲点温度はCas9とほぼ同程度であったものの(図5)、SYPRO Orange蛍光試薬を用いた37℃定温での安定性測定において、組換えEcoCas3タンパク質は、約8時間後には完全に変性してしまうことが判明した(図6)。この結果から、組換えEcoCas3タンパク質は、分子の乱雑さを示すエントロピーが高い状態にあり揺らぎが大きいと考えられ、故に、熱力学的パラメーターであるギブス自由エネルギー変化量が小さくなり、Cas9、Cas12、TfuCas3に比べると不安定にあると考えられる。この組換えEcoCas3タンパク質の安定性に関する結果は、Sf9細胞において、通常の昆虫細胞培養温度(28℃)よりも低い温度で、当該タンパク質を高効率で発現させることができること(実施例1(2)の結果)をよく説明している。その一方、精製された組換えCas3タンパク質は、37℃においても数時間程度は高い活性を持つことが判明したが、この事実は、in vitroや各種細胞での標的DNAの切断処理においては、特に問題なく使用することができることをよく説明している(後述の実施例3および4の結果)。 These results demonstrate that while the inflection point temperature of the recombinant EcoCas3 protein was similar to that of Cas9 in measurements using TychoNT6 (Figure 5), stability measurements at a constant temperature of 37°C using SYPRO Orange fluorescent reagent revealed that the recombinant EcoCas3 protein completely denatured after approximately 8 hours (Figure 6). These results suggest that the recombinant EcoCas3 protein is in a state of high entropy, which indicates molecular disorder, and exhibits large fluctuations. Therefore, the Gibbs free energy change, a thermodynamic parameter, is small, making it more unstable than Cas9, Cas12, and TfuCas3. These results regarding the stability of the recombinant EcoCas3 protein clearly explain the highly efficient expression of the protein in Sf9 cells at temperatures lower than the typical insect cell culture temperature (28°C) (see the results in Example 1(2)). On the other hand, it was found that the purified recombinant Cas3 protein retains high activity for several hours even at 37°C, which clearly explains why it can be used without any particular problems in cleaving target DNA in vitro or in various cells (results of Examples 3 and 4 described below).

[実施例3]Ecoカスケード複合体の調製
組換えEcoカスケードを、組換えEcoCas3タンパク質と同時に細胞へ導入してゲノム編集を行うためには、細胞内で効率よく核内へ移行させることが重要である。しかしながら、Ecoカスケードは、分子量がおよそ0.4MDaと大きく、核内移行率が懸念される。そこで、本発明者らは、Ecoカスケードを構成する5つの遺伝子のオペロンを2つに分断し、それぞれの3’末端にNLSを付加させることで、より多くのNLSをカスケードに導入し、細胞核内への高効率移行を試みた。
Example 3: Preparation of Eco Cascade Complex In order to simultaneously introduce the recombinant Eco Cascade into cells and the recombinant EcoCas3 protein to perform genome editing, it is important to efficiently transport it into the nucleus within the cell. However, the molecular weight of the Eco Cascade is large, approximately 0.4 MDa, raising concerns about its rate of nuclear transport. Therefore, the inventors attempted to introduce more NLS into the cascade by splitting the five-gene operon that constitutes the Eco Cascade into two and adding NLS to the 3' end of each operon, thereby achieving highly efficient transport into the cell nucleus.

Ecoカスケードは、Cas8-Cas11-Cas7-Cas5-Cas6から成る超分子複合体である。構成数は、Cas8が1分子、Cas11が2分子、Cas7が5分子、Cas5が2分子、Cas6が1分子である。本発明者らは、Hisタグを融合したCas11-NLSをpCDFuet-1プラスミドに、3’末端にNLSを付加した「Cas8-Cas11-Cas7オペロン」、および3’末端にNLSを付加した「Cas5-Cas6オペロン」をpRSFDuet-1プラスミドに、crRNAをpACYCDuet-1に、それぞれ組み込んだ3つのプラスミドを構築した(図7、配列番号:10~24)。 The Eco cascade is a supramolecular complex consisting of Cas8-Cas11-Cas7-Cas5-Cas6. It consists of one Cas8 molecule, two Cas11 molecules, five Cas7 molecules, two Cas5 molecules, and one Cas6 molecule. The inventors constructed three plasmids: a His-tag-fused Cas11-NLS in the pCDFuet-1 plasmid; a "Cas8-Cas11-Cas7 operon" with an NLS added to the 3' end; and a "Cas5-Cas6 operon" with an NLS added to the 3' end in the pRSFDuet-1 plasmid; and crRNA in the pACYCDuet-1 plasmid (Figure 7, SEQ ID NOs: 10-24).

この3つのプラスミドを大腸菌JM109(DE3)(lacUV5プロモーターに制御されたT7 RNAポリメラーゼ遺伝子が組み込まれたバクテリオファージλDE3を保有した溶原大腸菌)に組み込み、IPTGにより組換えタンパク質またはcrRNAを発現させた。Cas11に導入されたHisタグを介して、ニッケルカラムによるMulti-NLS-Ecoカスケードのアフィニティー精製を行い、次いで、ゲル濾過クロマトグラフィーにて精製を行った。その結果、2L培養から約1mgのMulti-NLS-Ecoカスケードを製造することに成功した。These three plasmids were then introduced into E. coli JM109(DE3) (a lysogenic E. coli strain harboring bacteriophage λDE3 incorporating a T7 RNA polymerase gene under the control of the lacUV5 promoter), and recombinant proteins or crRNA were expressed using IPTG. The Multi-NLS-Eco cascade was affinity purified using a nickel column via the His tag introduced into Cas11, followed by gel filtration chromatography. As a result, approximately 1 mg of Multi-NLS-Eco cascade was successfully produced from a 2 L culture.

なお、crRNAの標的配列は、ヒトEMX1遺伝子内配列およびマウスTyr遺伝子内の配列およびオワンクラゲGFP遺伝子内の配列とした。 The target sequences for crRNA were sequences within the human EMX1 gene, the mouse Tyr gene, and the Aequorea victoria GFP gene.

[実施例4]In vitroでのDNA切断測定
二本鎖DNAを用いて、精製したEcoCas3およびEcoカスケードタンパク質による標的DNA切断活性をin vitroで検討した。反応バッファー(5mM HEPES-K pH7.5、60mM KCl、10mM MgCl、10μM CoCl、2.5mM ATP)中に、Cas3タンパク質(20nM)、crRNAとカスケードの複合体(20nM)、標的配列を含む二本鎖DNA(60ng/μL)を混合した。この反応溶液を37℃で1時間インキュベートし、MultiNa(島津製作所)を用いてキャピラリー電気泳動を行った。標的配列は、EMX1遺伝子領域およびTyr遺伝子領域とした。なお、EMX1については、二本鎖DNAのPAM配列を、大腸菌由来タイプI-E CRISPRが認識できる「AAG」から認識できない「CCA」に変更した配列も作製して検討した。
Example 4: In vitro DNA cleavage assay. The target DNA cleavage activity of purified EcoCas3 and EcoCascade proteins was investigated in vitro using double-stranded DNA. Cas3 protein (20 nM), crRNA-Cascade complex (20 nM), and double-stranded DNA (60 ng/μL) containing the target sequence were mixed in a reaction buffer (5 mM HEPES-K pH 7.5, 60 mM KCl, 10 mM MgCl , 10 μM CoCl , 2.5 mM ATP). The reaction solution was incubated at 37°C for 1 hour and subjected to capillary electrophoresis using a MultiNa (Shimadzu Corporation). The target sequences were the EMX1 gene region and the Tyr gene region. For EMX1, we also prepared and examined a sequence in which the PAM sequence of the double-stranded DNA was changed from "AAG," which can be recognized by the Escherichia coli-derived Type IE CRISPR, to "CCA," which cannot be recognized.

その結果、PAM配列が認識可能なAAGの標的配列を含む二本鎖のドナーDNAを混合させた場合、ドナーDNAの分解が見られた(図8)。一方、PAM配列を認識できないCCAに変更したドナーDNAを混合した場合、DNAの分解は見られなかった。Cas3タンパク質単独、カスケード複合体単独の場合、DNAの切断活性は見られなかった。一方でカスケード複合体単独の場合、バンドが通常よりも上に検出された。これはカスケード複合体がDNAを認識して結合しているため、非変性条件下ではサイズが通常よりも大きくなり、ゲルシフトが生じたと考えられた。As a result, when double-stranded donor DNA containing the AAG target sequence, which can be recognized by the PAM sequence, was mixed, degradation of the donor DNA was observed (Figure 8). On the other hand, when donor DNA modified to CCA, which cannot recognize the PAM sequence, was mixed, no DNA degradation was observed. When the Cas3 protein alone or the Cascade complex alone was used, no DNA cleavage activity was observed. On the other hand, when the Cascade complex alone was used, a band was detected above normal. This is thought to be because the Cascade complex recognizes and binds to the DNA, causing it to become larger than normal under non-denaturing conditions, resulting in a gel shift.

[実施例5]ヒト培養細胞HEK293Tでの活性測定
mCherry-P2A-EGFPを持ったレポーターHEK293T細胞を用いて、精製したEcoCas3およびEcoカスケードタンパク質のヒト細胞内での変異導入効率を検討した。Cas3タンパク質(30μMまたは45μM)、GFP標的crRNAとカスケードの複合体(30μMまたは45μM)をNeon Transfection System(Thermo Fisher Scientific社)を用いたエレクトロポレーション法によってレポーター細胞に導入した。細胞を37℃、5% COで5日間培養後、全細胞を回収してSH800(SONY社)を用いてGFP陰性細胞数をカウントし、変異導入効率を算出した。
Example 5: Activity measurement in human cultured cells HEK293T. Using reporter HEK293T cells carrying mCherry-P2A-EGFP, the mutagenesis efficiency of purified EcoCas3 and EcoCascade proteins in human cells was examined. Cas3 protein (30 μM or 45 μM), a complex of GFP-targeted crRNA and the Cascade (30 μM or 45 μM) was introduced into reporter cells by electroporation using a Neon Transfection System (Thermo Fisher Scientific). After culturing the cells for 5 days at 37 °C and 5% CO2, all cells were harvested and the number of GFP-negative cells was counted using an SH800 (Sony) to calculate the mutagenesis efficiency.

その結果、30μMで導入した場合20%程度、45μMで導入した場合40%程度でGFP陰性細胞がカウントされた(図9)。すなわち、CRISPR-Cas3タンパク質を用いたゲノム編集を最大約40%程度と高効率に実施できることを示した。As a result, approximately 20% of cells were GFP-negative when transfected at 30 μM, and approximately 40% when transfected at 45 μM (Figure 9). This demonstrates that genome editing using the CRISPR-Cas3 protein can be performed with high efficiency, with a maximum of approximately 40%.

本発明の方法により製造されたCas3タンパク質は、様々な細胞のゲノム編集に利用することが可能であることから、基礎研究のみならず、医療、農業、工業などの様々なゲノム編集技術の応用分野で利用することができる。 The Cas3 protein produced by the method of the present invention can be used for genome editing of various cells, and therefore can be used not only in basic research but also in various applied fields of genome editing technology, such as medicine, agriculture, and industry.

Claims (7)

Cas3タンパク質の製造方法であって、
(a)Cas3遺伝子を導入した昆虫細胞を20~24℃で培養し、当該昆虫細胞内でCas3タンパク質を発現させる工程、および
(b)発現させたCas3タンパク質を回収する工程、
を含み、
Cas3タンパク質が大腸菌由来である、
方法。
A method for producing a Cas3 protein, comprising:
(a) culturing insect cells into which a Cas3 gene has been introduced at 20 to 24 °C to express the Cas3 protein in the insect cells; and (b) recovering the expressed Cas3 protein.
Including,
The Cas3 protein is derived from Escherichia coli;
method.
昆虫細胞がSf9細胞である、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1 , wherein the insect cells are Sf9 cells. 発現させたCas3タンパク質の回収が、Cas3タンパク質の精製を含む、請求項1又は2に記載の方法。 The method of claim 1 or 2 , wherein the recovery of the expressed Cas3 protein comprises purifying the Cas3 protein. Cas3タンパク質にタグが付加されており、Cas3タンパク質の精製が当該タグに対するアフィニティー精製を含む、請求項に記載の方法。 The method of claim 3 , wherein a tag is attached to the Cas3 protein and purification of the Cas3 protein comprises affinity purification against the tag. タグがHNタグを含む、請求項に記載の方法。 The method of claim 4 , wherein the tag comprises an HN tag. Cas3タンパク質の精製が、ゲル濾過クロマトグラフィーによる精製を含む、請求項3から5のいずれかに記載の方法。 The method of any one of claims 3 to 5 , wherein the purification of the Cas3 protein comprises purification by gel filtration chromatography. 精製に使用するバッファーがリン酸バッファーである、請求項3から6のいずれかに記載の方法。 The method according to any one of claims 3 to 6 , wherein the buffer used for purification is a phosphate buffer.
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